DINAMICĂ: ISTORIE, CE STUDIAZĂ, LEGI ȘI TEORII - FIZIC - 2025

Dinamica este domeniul mecanicii care studiază interacțiunile dintre organisme și efectele acestora. Se ocupă cu descrierea lor calitativă și cantitativă, precum și prezicerea modului în care vor evolua în timp.

Aplicând principiile sale este cunoscut modul în care mișcarea unui corp este modificată atunci când interacționează cu ceilalți și, de asemenea, dacă aceste interacțiuni îl deformează, deoarece este perfect posibil ca ambele efecte să se producă în același timp.

Figura 1. Interacțiunile ciclistului își modifică mișcarea. Sursa: Pixabay.

Credințele marelui filosof grec Aristotel (384-322 î.Hr.) au predominat ca temelie a dinamicii în Occident timp de secole. El a crezut că obiectele se mișcau din cauza unui fel de energie care îi împingea într-o direcție sau alta.

El a mai observat că, în timp ce un obiect este împins, acesta se mișcă cu o viteză constantă, dar atunci când împingerea este oprită, se mișcă din ce în ce mai încet până se oprește.

Potrivit lui Aristotel, acțiunea unei forțe constante a fost necesară pentru ca ceva să se miște cu viteză constantă, dar ceea ce se întâmplă este că acest filosof nu a avut efectele frecării.

O altă idee a lui a fost că obiectele mai grele au căzut mai repede decât cele mai ușoare. Marele Galileo Galilei (1564-1642) a demonstrat prin experimente că toate corpurile cad cu aceeași accelerație indiferent de masa lor, neglijând efectele vâscoase.

Dar este Isaac Newton (1642-1727), cel mai remarcabil om de știință care a trăit vreodată, care este considerat părintele dinamicii moderne și al calculului matematic, alături de Gottfried Leibniz.

Figura 2. Isaac Newton în 1682 de Godfrey Kneller. Sursa: Wikimedia Commons.

Celebrele sale legi, formulate în timpul secolului al XVII-lea, rămân la fel de valabile și de azi. Ele sunt fundamentul mecanicii clasice, pe care le vedem și ne afectează în fiecare zi. Aceste legi vor fi discutate în scurt timp.

Ce studiază dinamica?

Dinamica studiază interacțiunea dintre obiecte. Când obiectele interacționează, există schimbări în mișcarea lor și în deformații. O zonă particulară numită statică este dedicată acelor sisteme aflate în echilibru, celor care sunt în repaus sau cu mișcare rectilinie uniformă.

Aplicând principiile dinamicii este posibil să prezicem, prin ecuații, care vor fi schimbările și evoluția obiectelor în timp. Pentru a face acest lucru, unele ipoteze sunt stabilite în funcție de tipul de sistem care trebuie studiat.

Particule, solide rigide și medii continue

Modelul de particule este cel mai simplu pentru a începe aplicarea principiilor dinamicii. În ea se presupune că obiectul de studiat are masă, dar nu are dimensiuni. Prin urmare, o particulă poate fi la fel de mică ca un electron sau la fel de mare ca Pământul sau Soarele.

Când doriți să observați efectul dimensiunii asupra dinamicii, este necesar să luați în considerare dimensiunea și forma obiectelor. Un model care ține cont de acesta este cel al solidului rigid, un corp cu dimensiuni măsurabile compuse din foarte multe particule, dar care nu se deformează sub efectele forțelor.

În cele din urmă, mecanica mediilor continue ține cont nu numai de dimensiunile obiectului, ci și de caracteristicile sale particulare, inclusiv de capacitatea pe care acesta trebuie să o deformeze. Mediile continue cuprind solide rigide și non-rigide, precum și fluide.

Legile lui Newton

Cheia pentru a înțelege modul în care funcționează dinamica este în înțelegerea completă a legilor lui Newton, care leagă cantitativ forțele care acționează asupra unui corp cu modificări ale stării sale de mișcare sau de repaus.

Prima lege a lui Newton

Explicarea primei legi a lui Newton. Sursa: creată de sine.

Așa spune:

Prima parte a enunțului pare destul de evidentă, deoarece este evident că un obiect în repaus va rămâne așa, dacă nu este deranjat. Și pentru aceasta este necesară o forță.

Pe de altă parte, faptul că un obiect continuă în mișcare chiar și atunci când forța netă asupra lui este zero este ceva mai dificil de acceptat, deoarece se pare că un obiect ar putea rămâne în mișcare la nesfârșit. Iar experiența de zi cu zi ne spune că mai devreme sau mai târziu lucrurile încetinesc.

Răspunsul la această aparentă contradicție este în fricțiuni. Într-adevăr, dacă un obiect s-ar deplasa pe o suprafață perfect netedă, ar putea face acest lucru la nesfârșit, presupunând că nicio altă forță nu provoacă mișcarea să varieze.

Întrucât este imposibil de eliminat frecarea în întregime, situația în care un corp se mișcă la nesfârșit la o viteză constantă este o idealizare.

În sfârșit, este important de menționat că, deși forța netă este zero, aceasta nu reprezintă neapărat o absență totală de forțe asupra obiectului.

Obiectele de pe suprafața pământului experimentează întotdeauna atracție gravitațională. O carte care se sprijină pe o masă rămâne astfel, deoarece suprafața mesei exercită o forță care contracarează greutatea.

A doua lege a lui Newton

Explicarea celei de-a doua legi a lui Newton. Sursa: creată de sine.

Prima lege a lui Newton stabilește ce se întâmplă cu un obiect pe care forța netă sau rezultantă este zero. Acum legea fundamentală a dinamicii sau a doua lege a lui Newton indică ce se va întâmpla atunci când forța netă nu se anulează:

De fapt, cu cât este mai mare o forță aplicată, cu atât este mai mare schimbarea vitezei unui obiect. Și dacă aceeași forță se aplică obiectelor de mase diferite, cele mai mari schimbări vor fi experimentate de obiecte mai ușoare și mai ușor de mișcat. Experiența de zi cu zi este de acord cu aceste declarații.

A treia lege a lui Newton

O rachetă spațială primește propulsia necesară datorită gazelor expulzate. Sursa: Pixabay.

Primele două legi ale lui Newton se referă la un singur obiect. Dar a treia lege se referă la două obiecte. Le vom numi obiectul 1 și obiectul 2:

F ₁₂ = - F ₂₁

De fapt, ori de câte ori un corp este afectat de o forță, se datorează faptului că un altul este responsabil pentru a-l provoca. Astfel, obiectele de pe Pământ au greutate, deoarece le atrage spre centrul său. O sarcină electrică este respinsă de o altă sarcină cu același semn, deoarece exercită o forță repulsivă asupra primului și așa mai departe.

Figura 3. Rezumatul legilor lui Newton. Sursa: Wikimedia Commons. Hugo4914.

Principii de conservare

În dinamică, sunt conservate mai multe cantități în timpul mișcării și al căror studiu este esențial. Sunt ca o coloană solidă la care este posibil să se atașeze pentru a rezolva probleme în care forțele variază în moduri foarte complexe.

Un exemplu: tocmai când două vehicule se ciocnesc, interacțiunea dintre ele este foarte intensă, dar sumară. Atât de intens încât nu trebuie luate în considerare alte forțe, de aceea vehiculele pot fi considerate un sistem izolat.

Dar descrierea acestei interacțiuni intense nu este o sarcină ușoară, deoarece implică forțe care variază în timp și, de asemenea, în spațiu. Cu toate acestea, presupunând că vehiculele constituie un sistem izolat, forțele dintre ele sunt interne și impulsul se păstrează.

Prin conservarea impulsului este posibil să se prezică modul în care vehiculele se vor deplasa imediat după coliziune.

Iată două dintre cele mai importante principii de conservare în dinamică:

Conservarea Energiei

În natură există două tipuri de forțe: conservatoare și non-conservatoare. Greutatea este un bun exemplu al primului, în timp ce frecarea este un bun exemplu al celui din urmă.

Ei bine, forțele conservatoare sunt caracterizate deoarece oferă posibilitatea stocării de energie în configurația sistemului. Este așa-numita energie potențială.

Atunci când un corp are energie potențială datorită acțiunii unei forțe conservatoare, cum ar fi greutatea și intră în mișcare, această energie potențială este transformată în energie cinetică. Suma ambelor energii se numește energie mecanică a sistemului și este cea care se conservă, adică rămâne constantă.

Fie U energia energetică potențială, K energia cinetică și E _m energia mecanică. Dacă numai forțele conservatoare acționează asupra unui obiect, este adevărat că:

Prin urmare:

Conservarea impulsului

Acest principiu se aplică nu numai atunci când două vehicule se ciocnesc. Este o lege a fizicii cu un scop care depășește lumea macroscopică.

Momentul este conservat la nivelul sistemelor solare, stelare și galaxice. Și o face și la scara atomului și a nucleului atomic, în ciuda faptului că mecanica newtoniană încetează să mai fie valabilă acolo.

Fie P vectorul de impuls dat de:

P = m. v

Derivarea P în raport cu timpul:

Dacă masa rămâne constantă:

Prin urmare, putem scrie a doua lege a lui Newton astfel:

F _net = d P / dt

Dacă două corpuri m ₁ și m ₂ alcătuiesc un sistem izolat, forțele dintre ele sunt interne și conform legii a treia a lui Newton, acestea sunt egale și opuse F ₁ = - F ₂ , fiind îndeplinite că:

Dacă derivatul în raport cu timpul unei mărimi este zero, înseamnă că mărimea rămâne constantă. Prin urmare, într-un sistem izolat, se poate afirma că impulsul sistemului este păstrat:

P ₁ + P ₂ = constantă

Chiar și așa, P ₁ și P ₂ pot varia individual. Momentul unui sistem poate fi redistribuit, dar ceea ce contează este faptul că suma sa rămâne neschimbată.

Conceptele prezentate în dinamică

Există multe concepte importante în dinamică, dar două dintre ele ies în evidență: masă și forță. În legătură cu forța deja comentată anterior și mai jos, există o listă cu cele mai proeminente concepte care apar lângă ea în studiul dinamicii:

Inerţie

Este proprietatea pe care obiectele trebuie să o reziste schimbărilor în starea lor de repaus sau mișcare. Toate obiectele cu masă au inerție și se experimentează foarte frecvent, de exemplu atunci când călătoresc într-o mașină accelerată, pasagerii tind să rămână în repaus, ceea ce este perceput ca o senzație de lipire pe spătarul scaunului.

Și dacă mașina se oprește brusc, pasagerii tind să se răstoarne, în urma mișcării înainte pe care o aveau anterior, de aceea este important să purtați întotdeauna centurile de siguranță.

Figura 4. Când circulați cu mașina, inerția ne determină să ne prăbușim atunci când frâna mașinii. Sursa: Pixabay.

Masa

Masa este măsura inerției, cu cât este mai mare masa unui corp, cu atât este mai dificil să-l miști sau să-l determine să-și schimbe mișcarea. Masa este o cantitate scalară, aceasta înseamnă că pentru a specifica masa unui corp este necesar să se acorde valoarea numerică plus unitatea selectată, care poate fi kilograme, kilograme, grame și altele.

Greutate

Greutatea este forța cu care Pământul trage obiecte aproape de suprafața sa spre centrul său.

Deoarece este o forță, greutatea are un caracter vectorial, de aceea este complet specificată atunci când este indicată magnitudinea sau valoarea sa numerică, direcția și sensul ei, despre care știm deja că este vertical în jos.

Astfel, deși înrudite, greutatea și masa nu sunt egale, nici măcar echivalente, întrucât primul este un vector și al doilea un scalar.

Sisteme de referință

Descrierea unei mișcări poate varia în funcție de referința aleasă. Cei care urcă într-un lift sunt în repaus în funcție de un cadru de referință fixat acestuia, dar văzut de un observator la sol, pasagerii se mișcă.

Dacă un corp experimentează mișcare cu privire la un cadru de referință, dar este în repaus în altul, legile lui Newton nu se pot aplica ambelor. De fapt, legile lui Newton sunt aplicabile anumitor cadre de referință: cele care sunt inerțiale.

În cadrele de referință inerțiale, corpurile nu se accelerează decât dacă sunt tulburate într-un fel - prin aplicarea unei forțe.

Forțele fictive

Forțele fictive sau pseudo-forțele apar atunci când se analizează mișcarea unui corp într-un cadru accelerat de referință. Se distinge o forță fictivă, deoarece nu este posibil să se identifice agentul responsabil pentru apariția sa.

Forța centrifugă este un bun exemplu de forță fictivă. Cu toate acestea, faptul că nu este, nu face mai puțin real pentru cei care experimentează atunci când se întorc în mașini și simt că o mână invizibilă îi împinge din curbă.

Accelerare

Acest vector important a fost deja menționat anterior. Un obiect experimentează accelerație, atât timp cât există o forță care își schimbă viteza.

Munca și energia

Când o forță acționează asupra unui obiect și își schimbă poziția, forța a lucrat. Și această lucrare poate fi stocată sub formă de energie. Prin urmare, lucrul se desfășoară asupra obiectului, datorită căruia dobândește energie.

Următorul exemplu șterge punctul: Să presupunem că o persoană ridică o oală la o anumită înălțime deasupra nivelului solului.

Pentru aceasta, trebuie să aplice o forță și să depășească gravitația, de aceea funcționează pe oală și această lucrare este păstrată sub formă de energie potențială gravitațională în oală, proporțională cu masa sa și înălțimea pe care a atins-o deasupra podelei. :

Unde m este masă, g este gravitație, iar h este înălțime. Ce poate face oala odată ce este la înălțimea h? Ei bine, ar putea să cadă și pe măsură ce scade, energia potențială gravitațională pe care o scade, în timp ce energia cinetică sau în mișcare crește.

Pentru ca o forță să facă muncă, trebuie să producă o deplasare care trebuie să fie paralelă cu forța. Dacă acest lucru nu se întâmplă, forța încă acționează asupra obiectului, dar nu funcționează asupra lui.

subiecte asemănătoare

Prima lege a lui Newton.

A doua lege a lui Newton.

A treia lege a lui Newton.

Legea conservării materiei.

Referințe

1. Bauer, W. 2011. Fizică pentru inginerie și științe. Volumul 1. Mc Graw Hill.
2. Figueroa, D. 2005. Seria: Fizică pentru științe și inginerie. Volumul 2. Dinamica. Editat de Douglas Figueroa (USB).
3. Giancoli, D. 2006. Fizică: Principii cu aplicații. Al 6-lea .. Sala Ed Prentice.
4. Hewitt, Paul. 2012. Știința fizică conceptuală. 5-a. Ed. Pearson.
5. Kirkpatrick, L. 2007. Fizica: o privire asupra lumii. A 6-a ediție prescurtată. Cengage Learning.
6. Knight, R. 2017. Fizica oamenilor de știință și inginerie: o abordare strategică. Pearson.
7. Wikipedia. Dinamic. Recuperat de la: es.wikipedia.org.